摘要
声频振动钻机由于其不使用钻井液、对地层无污染等优点，广泛应用于环境调查领域。声频钻机的双偏心轴若在高速下达到同步状态能够极大地提高钻进效率。从常见的流量与负载同步结构与原理以及其同步精度和优缺点等方面系统分析了声频振动钻机双偏心轴的同步机理，提出了解决高转速下的同步思路，以期为其完善和提升提供参考。
从Hugenii
声频振动钻进技术采用液压驱动钻进，无需泥浆，通过双偏心轴高频振动进行钻进，经济环保，是近年来环境调查领域应用较为广泛的钻进方
对于声频钻机双偏心轴来说，为了得到最大的竖直激振力，需要使两偏心轴的转速与相位同
常用的流量同步结构主要有自同步结构、同步分流马达、同步阀以及液压同步回路等。其中同步分流马达与同步阀结构多应用于液压同步回路中来达到流量同步的目的。
自同步一般指2个或者多个相对独立的激振器在一定的分布方式、振动条件
北京探矿工程研究所研制的TGSD-50型声频振动取样钻机，两偏心轴同步，提高了声频钻机的效率。该钻机的同步结构如
图1 TGSD-50型声频振动钻机自同步结构
液压同步分流马达又称同步马达，是由若干个规格相同、性能参数接近、加工精度高的液压马达组成的，从而实现同步运动。主要有2种形式，一种是柱塞式同步马达，另一种是齿轮式同步马达，两者实物如
图2 液压同步分流马达
图3 柱塞式同步马达结构
图4 齿轮式同步马达的结构
工作原理为：由于负载压力的影响，在工作时每联马达都具有马达或泵的功能。整个同步马达有一个共同的进油口以及各自的出油口，2个出口流量之和与进油流量相
同步阀又称分流集流阀，主要应用于双缸及多缸同步控制液压系统中。按照液流方向可以分为分流阀、集流阀、分流集流阀。3种同步阀的图形符号如
图5 三种同步阀图形符号
图6 单向功能的同步阀与分流集流阀
图7 同步阀的基本结构
同步阀的基本原理可以概括为阀芯通过移动来改变2个可变节流口的压力差或两支路总阻尼，最终达到2个节流口的流量相等或两支路总阻尼与负载相等即达到同
以两联式同步马达为例，采用液压同步马达的同步回路，如
图8 采用液压同步马达的同步回路
其中溢流阀起到安全阀的作用，它会保证在回路中出现高压力使得一个液压缸到达行程终点时，另一个液压缸仍可以继续上升，直到2个液压缸都完成举升动作。单向阀的作用是维持回路的最小压力，当在液压缸工作时，保持住回路的最小压力可以在2个液压缸没有同时到达终点时，使先到达终点的液压缸不会发生吸空现象。节流阀的作用除了可以调节液压缸上升的速度外，当液压缸下降时，因为同步马达的作用是收集回油保持流量一致，它可以防止同步马达以先到达终点的液压缸的速度运行，不至于另一个液压缸跟不
采用同步阀的同步回路如
图9 采用同步阀的同步回路
其中单向阀与节流阀组成的阀组作用与上述同步马达的节流阀相同，同样为保证回路的最小压力，使系统进行及时补油。
负载同步结构主要包括带同步与齿轮同步。在声频钻机双偏心轴中，二者均是通过本身结构特点使得两偏心轴强制同步，即达到相位同步的目的。
带传动具有100多年的历史，由于其经济性与操作简便等特点，是机械传动中比较具有竞争力的一种传动方式。带传动具有多种种类，主要有摩擦形式与啮合形式。诸如圆带传动、平带传动、V带传动等摩擦形式，以及同步带传动的啮合形
带同步的实现离不开带轮与带的相互配合，相对简单的带同步结构主要由主动带轮、传动带、从动带轮组成。对于带同步来说，足够的摩擦力是实现同步的主要条件。因此对于传动结构的优化、传动带本身材
图10 采用压紧带轮的带同步结构
为了进一步加强带轮与带之间的摩擦力，
图11 采用压紧带轮与齿形带的带同步结构
齿轮传动是机械传动中应用最广泛的传动形式，齿轮传动的种类很多，按照装置形式可分为开式、闭式、半开式齿轮传动；按照使用情况可分为低速、高速、重载、轻载齿轮传动等；按照热处理方式又有较软与较硬之
图12 采取齿轮同步结构的同轴式振动器
图13 采取齿轮同步结构的机械式振动器
自同步结构具有能在初始转速与相位存在差值时进行自我调节的优点，但自同步结构实现的前提是存在柔性公共基础传递能量，同步条件要求较
同步阀多是应用于液压同步回路中。在开环液压同步回路中，同步精度是评价其性能好坏的主要因
液压同步马达的同步精度主要取决于负载的均匀性以及马达与液压缸的加工精度，据调查，柱塞式同步马达的精度为±0.4%~±0.9%，齿轮式同步马达的精度为±1.5%~±2.5%。
柱塞式同步马达适用于压力较大、同步精度要求较高的场合，优点是速度广，流量脉动小，密封性好；缺点是结构复杂，成本高，加工难度高，并且必须保证使用之前液压油充满壳体，使用的时候也要外接泄油
带同步结构具有成本较低、容易安装与更换、结构简单的优点，在相对较低的转速下，通过调整结构与传动带类型确实能较精确地传递扭矩。但在高转速工况下，传动带即使在有压紧装置的情况下，依旧会发生弹性滑动导致打滑与跳齿问
齿轮同步结构具有承载能力大，传动精度高的优点，但由于齿轮本身的特性使得初始相位存在误差。由于声频钻机是在较高转速工况下工作，因而存在初始相位误差会导致两个偏心轴振动时水平激振力难以抵消，最后造成能量损失。
目前声频钻机中常用的同步结构，主要包括带同
为使2偏心轴转速相同离不开液压油的同步供给，因此能同时进行相同的流量供给是研究双偏心轴转速相同的重点。解决转速不同步的手段可从液压管线与液压马达安装、完善的隔振系统、更加合理的液压回路设计等方面着手。精准的管线与液压马达安装与完善的隔振系统可从结构上保证流量供给同步，合理的液压回路可从原理上提高同步精度。
声频振动钻机双偏心轴达到同步可以使水平激振力完全抵消，竖直激振力达到最大，从而使得钻进效率得到提高。但是在高转速下还存在转速与相位不能同步的关键问题。需要进一步对流量同步与负载同步结构展开深入研究，这对达到完全同步的目标至关重要。
参考文献（References）
Hugenii C. The Horoloqium Oscilatorium［M］. Parisiis： F.Muguet， 1673. [百度学术]
Merriam‑Webster Inc.Merriam‑Webster’s Collegiate Encyclopedia［M］.Merriam-Webester，2000. [百度学术]
颜纯文.声波钻进和宝长年LS250声波钻机［J］.地质装备，2016，17（5）：11-15. [百度学术]
Qian Yonghang， Wang Yu， Wang Zhiqiao，et al. The rock breaking capability analyses of sonic drilling［J］.Journal of Low Frequency Noise Vibration and Active Control， 2021，40（4）：2014-2027. [百度学术]
赵晓冬，吴浩，陆卫星，等. SZ-50型声频振动钻机动力头减振方案的改进［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2012，39（12）：1-3. [百度学术]
Blekhman Ii， Fradkov AL， Tomchina OP， et al. Self‑synchronization and controlled synchronization： General definition and example design［J/OL］.Mathematics and Computers in Simulation， 2002，58（4-6）：367-384. [百度学术]
Perlikowski P， Stefański A， Kapitaniak T. 1∶1 mode locking and generalized synchronization in mechanical oscillators［J/OL］. Journal of Sound and Vibration， 2008，318（1-2）：329-340. [百度学术]
张学良，闻邦椿，赵春雨.双机及多机驱动振动系统同步理论的研究［J］.机械工程学报，2017，53（6）：87. [百度学术]
张学良.双机及多机驱动振动系统同步理论的研究［D］.沈阳：东北大学，2014. [百度学术]
赵春雨，王立，任杰，等.共振振动系统中两激振器的自同步［J］.东北大学学报（自然科学版），2012，33（12）：1754-1757. [百度学术]
赵春雨，王得刚，张昊，等.同向回转双机驱动振动系统的频率俘获［J］.应用力学学报，2009，26（2）：283-287. [百度学术]
张培丰，贾绍宽，朱文鉴，等.TGSD-50型声频振动取样钻机的研制［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2011，38（1）：35-38，70. [百度学术]
李耀红.一种柱塞式液压同步马达［P］.中国：CN201599064U，2010-10-06. [百度学术]
常久洋.同步马达压力补偿阀的结构优化设计与流场仿真［D］.秦皇岛：燕山大学，2016. [百度学术]
丁青.齿轮式液压同步马达［P］.中国：CN207033646U，2018-02-23. [百度学术]
文明，周黎，赵明岗，等.液压分流马达特性分析与应用研究［J］.液压气动与密封，2013，33（1）：37-40. [百度学术]
汪泽波.液压同步阀的创新研究［D］.昆明：昆明理工大学， 2012. [百度学术]
张强.浅谈可调式同步阀在HXY-800QT拖车钻机中的应用［J］.地质装备，2015，16（2）：19-21. [百度学术]
蒋淋.原理性误差全补偿的新型同步阀的分析与研究［D］.太原：太原理工大学，2019. [百度学术]
许立，庞海军，施志辉，等.基于AMESim的液压同步阀集流工况仿真与分析［J］.机械科学与技术，2012，31（9）：1535-1538. [百度学术]
王莉，钟浩.架桥机对称升降液压缸的同步性研究［J］.中国高新技术企业，2013，245（2）：22-24. [百度学术]
秦书安，周鹏，周玉杰，等.带传动行业发展状况综述［J］.机械传动，2020，44（8）：1-7. [百度学术]
Bai Su， Jones Mitchell P， Pech de Laclause， et al. Towards robust synchronous belts： Influence of surface characteristics on interfacial adhesion［J］. Composite Interfaces， 2022，29（10）：1-15. [百度学术]
Zhang Z， Pang M， Teng C. Research on measurement of tooth profile parameters of synchronous belt based on point cloud data［J］. Sensors， 2022，22：6372. [百度学术]
吴浩，陆卫星，任晓飞，等.YSZ-50型声频振动钻机的研制［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2012，39（1）：9-13. [百度学术]
赵晓冬.MGD-S50Ⅱ型声频振动钻机场地试验及钻探工艺研究［J］.中国煤炭地质，2018，30（2）：76-79. [百度学术]
刘金平.浅析齿轮传动中轮齿的失效形式及预防［J］.机电产品开发与创新，2023，36（2）：141-143. [百度学术]
周裕民.同轴式声频物探钻机振动器的动力学分析与优化［D］.西安：西安石油大学，2018. [百度学术]
张燕.声波钻进振动器的结构原理浅析［J］.探矿工程（岩土钻掘工程），2010，37（7）：77-80. [百度学术]
Balthazar J M， Felix J L P， Brasil R. Short comments on self‑synchronization of two non‑ideal sources supported by a flexible portal frame structure［J/OL］. Journal of Vibration and Control， 2004，10（12）：1739-1748. [百度学术]
Zhang X L， Yue H L， Li Z M， et al. Stability and coupling dynamic characteristics of a vibrating system with one internal degree of freedom and two vibrators［J/OL］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2020，143：106812. [百度学术]
Zhang T X， Wen B C， Fan J. Study on synchronization of two eccentric rotors driven by hydraulic motors in one vibrating system［J/OL］. Shock and Vibration， 1997，4（5-6）：305-310. [百度学术]
邱敏秀，何才太.机械反馈式液压同步阀的研究与应用［J］.液压气动与密封，2000（5）：8-10. [百度学术]
杨世祥.独树一帜的液压同步，兼谈创新的体会［J］.液压气动与密封，2015，35（11）：4-6. [百度学术]
陈德国，李慧忠，柏峰，等.多流液压同步马达应用研究［J］.机床与液压，2010，38（8）：55-56，80. [百度学术]
闻德生，甄新帅，陈帆，等.液压同步多马达与传统同步马达的对比分析［J］.哈尔滨工业大学学报，2017，49（1）：173-177. [百度学术]
王东升.齿轮式同步马达压力补偿阀的设计与特性分析［D］.秦皇岛：燕山大学，2015. [百度学术]
Khattab M.， Wasfy T. Prediction of dynamic stick‑slip events in belt‑drives using a high‑fidelity finite element model［J］. Journal of Computational and Nonlinear Dynamics， 2022，17（6）：064501. [百度学术]
孙允旺，王瑜，吴浩，等.声频振动头同步机构设计与试验研究［J］.现代制造工程，2022，500（5）：9-17. [百度学术]
Lange James E， Smith Brian. Sonic drilling head［P］.中国：CN2439459（A1）.2002-09-06. [百度学术]
张培丰，贾绍宽，朱文鉴，等.取样钻机用声频振动头［P］.中国：CN201826836U，2011-05-11. [百度学术]
